JP6390823B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、LLC共振回路を含むスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device including an LLC resonant circuit.
発電機、例えばソーラパネル、で発電された電力を家庭環境で使用する太陽光発電システムでは、パワーコンディショナにより電力制御される。このパワーコンディショナに好適に用いられる電力変換装置として、例えば特許文献1に記載のものがある。特許文献1に記載の電力変換装置は、電流共振コンバータを備えている。そして、スイッチング周波数を変化して最大電力変換効率となるスイッチング周波数を測定することで、電流共振コンバータの共振周波数と一致するスイッチング周波数を検知し、それを設定している。これにより、スイッチングロス及びノイズを低減して高効率化を図っている。
In a solar power generation system that uses electric power generated by a generator, such as a solar panel, in a home environment, power control is performed by a power conditioner. As a power converter suitably used for this power conditioner, there exists a thing of
特許文献1の電力変換装置では、トランスの漏れインダクタンス、共振コンデンサのキャパシタンスが設計値からずれ、それにより共振周波数が設計値からずれても、最適なスイッチング周波数を設定できる。しかしながら、特許文献1は、電力変換効率が最大化するようにスイッチング周波数を設定しているため、入出力電力の制限が行なわれている場合など、所定の条件を満たす場合でなければ、スイッチング周波数を設定することができない。
In the power converter of
そこで、本発明の目的は、最適なスイッチング周波数を探索するスイッチング電源装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a switching power supply device that searches for an optimum switching frequency.
本発明に係るスイッチング電源装置は、第1入出力ポート及び第2入出力ポートと、ハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子を有し、前記第1入出力ポートに接続される第1スイッチング回路と、ハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子を有し、前記第2入出力ポートに接続される第2スイッチング回路と、磁気結合する第1コイル及び第2コイルを有し、前記第1コイルが前記第1スイッチング回路に接続され、前記第2コイルが前記第2スイッチング回路に接続されたトランスと、前記第1コイル又は前記第2コイルを含んで構成される共振回路と、前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路のスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定部と、前記第1入出力ポート又は前記第2入出力ポートに入出力される電流を検出する電流検出部と、を備え、前記スイッチング周波数設定部は、スイッチング周波数を掃引し、前記第1スイッチング回路又は前記第2スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ素子と前記ローサイドスイッチ素子とのスイッチングのデッドタイムを開始するタイミングと、前記電流検出部の検出結果と、閾値電流値とに基づいて、スイッチング周波数を設定することを特徴とする。 A switching power supply according to the present invention includes a first input / output port, a second input / output port, a high-side switch element and a low-side switch element, and a first switching circuit connected to the first input / output port; A second switching circuit having a high-side switch element and a low-side switch element; connected to the second input / output port; and a first coil and a second coil that are magnetically coupled, wherein the first coil is the first coil A transformer connected to a switching circuit, wherein the second coil is connected to the second switching circuit; a resonance circuit including the first coil or the second coil; the first switching circuit; A switching frequency setting unit for setting a switching frequency of the two switching circuit, and the first input / output port or the second input A current detection unit that detects a current input to and output from the power port, wherein the switching frequency setting unit sweeps a switching frequency, and the high side switch element of the first switching circuit or the second switching circuit The switching frequency is set based on a timing of starting a dead time of switching with the low-side switch element, a detection result of the current detection unit, and a threshold current value.
この構成では、負荷電流に応じてスイッチング周波数を修正することで、スイッチング損失を低減できる。また、スイッチング電源装置の製造後であっても、最適なスイッチング周波数を探索できるため、量産時の検査工程が減らせる。さらに、経年劣化により共振回路の共振周波数が変動しても、最適なスイッチング周波数を探索できる。 In this configuration, the switching loss can be reduced by correcting the switching frequency according to the load current. Further, since the optimum switching frequency can be searched even after the manufacturing of the switching power supply device, the inspection process at the time of mass production can be reduced. Furthermore, even if the resonance frequency of the resonance circuit varies due to aging, the optimum switching frequency can be searched.
前記スイッチング周波数設定部は、前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路それぞれの前記ハイサイドスイッチ素子及び前記ローサイドスイッチ素子のターンオフのタイミングと、前記電流検出部が検出する電流値が前記閾値電流値を下回るタイミングとが一致する場合にスイッチング周波数を下げ、不一致の場合にスイッチング周波数を上げる構成でもよい。 The switching frequency setting unit includes a turn-off timing of the high-side switch element and the low-side switch element of each of the first switching circuit and the second switching circuit, and a current value detected by the current detection unit as the threshold current value. Alternatively, the switching frequency may be lowered when the timing falls below the timing, and the switching frequency may be raised when the timing does not match.
この構成では、スイッチ素子のデッドタイミングと、電流検出結果を取得できれば、スイッチング周波数を適切に掃引できるため、高速な処理を必要としない。 In this configuration, if the dead timing of the switch element and the current detection result can be acquired, the switching frequency can be swept appropriately, so that high-speed processing is not required.
前記スイッチング周波数設定部は、定期的にスイッチング周波数を設定する構成でもよい。 The switching frequency setting unit may be configured to periodically set the switching frequency.
この構成では、高い電力変換効率を維持できる。 With this configuration, high power conversion efficiency can be maintained.
前記第1スイッチング回路、又は前記第2スイッチング回路は、ハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路であってもよい。 The first switching circuit or the second switching circuit may be a half bridge circuit or a full bridge circuit.
本発明によれば、負荷電流に応じてスイッチング周波数を修正することで、スイッチング損失を低減できる。また、スイッチング電源装置の製造後であっても、最適なスイッチング周波数を設定できるため、量産時の検査工程が減らせる。さらに、経年劣化により共振回路の共振周波数が変動しても、最適なスイッチング周波数を設定できる。 According to the present invention, the switching loss can be reduced by correcting the switching frequency according to the load current. Further, since the optimum switching frequency can be set even after the switching power supply device is manufactured, the inspection process at the time of mass production can be reduced. Furthermore, even if the resonance frequency of the resonance circuit varies due to aging, an optimum switching frequency can be set.
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係るスイッチング電源装置1の回路図である。(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram of a switching
スイッチング電源装置1は電流共振型DC−DCコンバータであり、例えば太陽光発電システムに用いられる。以下では、電流共振型DC−DCコンバータは、絶縁型であって、1次側及び2次側それぞれにフルブリッジ回路を有するものとして説明する。
The switching
スイッチング電源装置1は、一対の入出力端子IO1及び入出力端子IO2と、一対の入出力端子IO3及び入出力端子IO4とを備えている。入出力端子IO1及び入出力端子IO2は、ソーラパネルで発電された電力を蓄電する蓄電池に接続される。入出力端子IO3及び入出力端子IO4は、ソーラパネル及び電力系統に接続される。
The switching
一対の入出力端子IO1及び入出力端子IO2は、本発明に係る「第1入出力ポート」の一例である。一対の入出力端子IO3及び入出力端子IO4は、本発明に係る「第2入出力ポート」の一例である。 The pair of input / output terminals IO1 and IO2 is an example of the “first input / output port” according to the present invention. The pair of input / output terminals IO3 and IO4 is an example of the “second input / output port” according to the present invention.
スイッチング電源装置1は双方向DC−DCコンバータであり、入出力端子IO3,IO4から入力された直流電圧を所定値に変圧し、入出力端子IO1,IO2に接続される蓄電池へ出力し、蓄電池を充電する。また、スイッチング電源装置1は、蓄電池の充電電圧が入出力端子IO1,IO2から入力されると、所定値に変圧し、入出力端子IO3,IO4に接続される電力系統へ供給する。
The switching
入出力端子IO1,IO2には、キャパシタC1及びスイッチング回路11が接続されている。スイッチング回路11は、スイッチング素子Q11と、スイッチング素子Q12の直列回路と、スイッチング素子Q13とスイッチング素子Q14の直列回路とが並列接続されたフルブリッジ回路である。スイッチング素子Q11〜Q14は、例えばMOS−FETであり、そのゲートはドライバ13に接続されている。
A capacitor C1 and a switching circuit 11 are connected to the input / output terminals IO1 and IO2. The switching circuit 11 is a full bridge circuit in which a switching element Q11, a series circuit of the switching element Q12, and a series circuit of the switching element Q13 and the switching element Q14 are connected in parallel. The switching elements Q11 to Q14 are, for example, MOS-FETs, and their gates are connected to the
スイッチング回路11は、本発明に係る「第1スイッチング回路」の一例である。スイッチング素子Q11及びスイッチング素子Q13は、本発明に係る「ハイサイドスイッチ素子」の一例である。スイッチング素子Q12及びスイッチング素子Q14は、本発明に係る「ローサイドスイッチ素子」の一例である。 The switching circuit 11 is an example of the “first switching circuit” according to the present invention. The switching element Q11 and the switching element Q13 are examples of the “high side switch element” according to the present invention. The switching element Q12 and the switching element Q14 are examples of the “low-side switch element” according to the present invention.
スイッチング素子Q11とスイッチング素子Q12の接続点は、インダクタL1を介してトランスTの1次巻線N1に接続されている。1次巻線N1は、本発明に係る「第1コイル」の一例である。また、スイッチング素子Q13とスイッチング素子Q14の接続点は、キャパシタC3を介してトランスTの1次巻線N1に接続されている。図1に示すインダクタLmはトランスTの励磁インダクタンスである。なお、インダクタLmは、外付けの実部品であってもよい。インダクタL1、キャパシタC3及びインダクタLmは、LLC共振回路10を構成している。
A connection point between the switching element Q11 and the switching element Q12 is connected to the primary winding N1 of the transformer T via the inductor L1. The primary winding N1 is an example of the “first coil” according to the present invention. The connection point between the switching element Q13 and the switching element Q14 is connected to the primary winding N1 of the transformer T via the capacitor C3. An inductor Lm shown in FIG. 1 is an exciting inductance of the transformer T. The inductor Lm may be an external actual part. The inductor L1, the capacitor C3, and the inductor Lm constitute the LLC
なお、インダクタL1は外付けの実部品でなく、トランスTの漏れインダクタンスであってもよい。この場合、部品点数を削減できるため、コストダウン、小型化が可能である。 The inductor L1 may be a leakage inductance of the transformer T instead of an actual external component. In this case, since the number of parts can be reduced, cost reduction and size reduction are possible.
入出力端子IO3,IO4には、キャパシタC2及びスイッチング回路12が接続されている。スイッチング回路12は、スイッチング素子Q21と、スイッチング素子Q22の直列回路と、スイッチング素子Q23とスイッチング素子Q24の直列回路とが並列接続されたフルブリッジ回路である。スイッチング素子Q21〜Q24は、例えばMOS−FETであり、そのゲートはドライバ14に接続されている。
The capacitor C2 and the
スイッチング回路12は、本発明に係る「第2スイッチング回路」の一例である。スイッチング素子Q21及びスイッチング素子Q23は、本発明に係る「ハイサイドスイッチ素子」の一例である。スイッチング素子Q22及びスイッチング素子Q24は、本発明に係る「ローサイドスイッチ素子」の一例である。
The
スイッチング素子Q21とスイッチング素子Q22の接続点は、トランスTの2次巻線N2に接続されている。また、スイッチング素子Q23とスイッチング素子Q24の接続点はトランスTの2次巻線N2に接続されている。2次巻線N2は、本発明に係る「第2コイル」の一例である。 A connection point between the switching element Q21 and the switching element Q22 is connected to the secondary winding N2 of the transformer T. The connection point between the switching element Q23 and the switching element Q24 is connected to the secondary winding N2 of the transformer T. The secondary winding N2 is an example of the “second coil” according to the present invention.
ドライバ13は、スイッチング素子Q11〜Q14のゲートに制御信号を出力し、マイコン15により設定されるスイッチング周波数で、各スイッチング素子Q11〜Q14をスイッチング制御する。具体的には、ドライバ13は、スイッチング素子Q11及びスイッチング素子Q14と、スイッチング素子Q12及びスイッチング素子Q13とを、デッドタイムを設けて交互にオンオフする。
The
ドライバ14は、スイッチング素子Q21〜Q24のゲートに制御信号を出力し、マイコン15により設定されるスイッチング周波数で、各スイッチング素子Q21〜Q24をスイッチング制御する。具体的には、ドライバ14は、スイッチング素子Q21及びスイッチング素子Q24と、スイッチング素子Q22及びスイッチング素子Q23とを、デッドタイムを設けて交互にオンオフする。
The
マイコン15は、スイッチング回路11及びスイッチング回路12を所定のスイッチング周波数でスイッチングするように制御信号を出力する。ドライバ13とドライバ14は、その制御信号に基づいて、各スイッチング素子を駆動する。また、マイコン15は、スイッチング周波数を掃引して、LLC共振回路10の共振周波数に一致するスイッチング周波数を探索する。LLC共振回路10の共振周波数に一致するスイッチング周波数でスイッチング回路11,12をスイッチング制御することで、スイッチング電源装置1の電力変換効率は高くなる。マイコン15は、本発明に係る「スイッチング周波数設定部」の一例である。
The
マイコン15は、スイッチング周波数を掃引する際、周波数調整部16からHレベルの信号を受信すると、スイッチング周波数を下げ、Lレベルの信号を受信すると、スイッチング周波数を上げて、最適なスイッチング周波数を探索する。周波数調整部16は、本発明に係る「スイッチング周波数設定部」の一例である。
When sweeping the switching frequency, the
周波数調整部16は、ワンショットマルチバイブレータ16Aと、比較器16Bと、ANDゲート16Cと、ANDゲート16Dと、NANDゲート16Eと、ORゲート16Fとを有する。
The
ワンショットマルチバイブレータ16Aは、電流Irの立ち下がりをトリガーとして、一定時間Hレベルを出力する。電流Irは、入出力端子IO1に対して入出力される共振電流である。電流Irが立ち下がるとき、ワンショットマルチバイブレータ16Aの出力信号(a)はHレベルである。電流Irは、入出力端子IO1に接続される電流検出回路17により検出される。電流検出回路17は、例えば、カレントトランス又は抵抗等で構成される。電流検出回路17は、本発明に係る「電流検出部」の一例である。
The one-
なお、ワンショットマルチバイブレータ16Aは、微分回路等、電流の立下りを検出できるものであれば、適宜変更可能である。
Note that the one-
比較器16Bは、電流検出回路17により検出される電流Irと、閾値電流Iminとを比較する。電流Irが閾値電流Iminを下回るとき、比較器16Bの出力信号(b)はHレベルである。電流Irが閾値電流Iminを上回るとき、比較器16Bの出力信号(b)はLレベルである。この閾値電流Iminは、例えば、トランスTの励磁電流の最大値であって、トランスの設計によって適宜設定される。
The
ORゲート16Fは、スイッチング素子Q11へのゲート信号と、スイッチング素子Q12へのゲート信号の論理和を出力する。前記のように、スイッチング素子Q11及びスイッチング素子Q14と、スイッチング素子Q12及びスイッチング素子Q13とは、デッドタイムを挟んで交互にオンオフされる。つまり、ORゲート16Fの出力信号(f)は、デッドタイムでLレベル、それ以外はHレベルとなる。
The
なお、ORゲート16Fは、スイッチング素子Q13へのゲート信号と、スイッチング素子Q14へのゲート信号の論理和を出力する構成であってもよい。
The
ANDゲート16Cは、ワンショットマルチバイブレータ16Aの出力と、ORゲート16Fの出力との論理積を出力する。電流Irが立ち下がり、かつ、スイッチング素子Q11又はスイッチング素子Q12の一方がオンである場合、ANDゲート16Cの出力信号(c)はHレベルである。
The AND
ANDゲート16Dは、比較器16Bの出力信号(b)と、ANDゲート16Cの出力信号(c)との論理積を出力する。スイッチング素子Q11又はスイッチング素子Q12の一方がオンのときに電流Irが立ち下がり、かつ、電流Irが閾値電流Iminを下回る場合、ANDゲート16Dの出力信号(d)はHレベルである。
The AND
NANDゲート16Eは、ANDゲート16Dの出力信号(d)と、ORゲート16Fの出力信号(f)との否定論理積を出力する。NANDゲート16Eは、スイッチング素子Q11又はスイッチング素子Q12がオン、電流Irが立ち下がり、かつ、電流Irが閾値電流Iminを下回る場合、NANDゲート16Eの出力信号(e)はLレベルである。
The
以下に、LLC共振回路10の共振周波数と一致する最適なスイッチング周波数で、スイッチング回路11及びスイッチング回路12をスイッチング制御する場合について説明する。スイッチング回路11及びスイッチング回路12を、スイッチング損失が少ないZVS方式で制御を行うことが好ましい。
Hereinafter, a case where the switching control of the switching circuit 11 and the switching
例えば、スイッチング素子Q11,Q14がオンのとき、入出力端子IO1からスイッチング回路11側に向かって共振電流が流れる。このときの電流方向を正方向とする。この状態で、共振電流が閾値電流Iminを下回ってから、スイッチング素子Q11,Q14をターンオフする。その直後のデッドタイムでは、スイッチング素子Q12、Q13のボディダイオードを通して電流が還流する。還流期間に、スイッチング素子Q12,Q13にターンオンすると、ZVSターンオンが行われ、スイッチング素子Q12,Q13に共振電流が流れ始める。 For example, when the switching elements Q11 and Q14 are on, a resonance current flows from the input / output terminal IO1 toward the switching circuit 11 side. The current direction at this time is defined as a positive direction. In this state, after the resonance current falls below the threshold current Imin, the switching elements Q11 and Q14 are turned off. In the dead time immediately after that, current flows back through the body diodes of the switching elements Q12 and Q13. When the switching elements Q12 and Q13 are turned on during the reflux period, ZVS turn-on is performed, and resonance current starts to flow through the switching elements Q12 and Q13.
このように、最適なスイッチング周波数であり、スイッチング損失を抑えてスイッチング回路11及びスイッチング回路12をスイッチング制御する場合、共振の途中でスイッチング素子をターンオフさせないことが好ましい。
As described above, when the switching circuit 11 and the switching
図2は、スイッチング周波数が共振周波数より高い場合の、周波数調整部16の各素子の動作波形を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation waveform of each element of the
この例では、電流Irが閾値電流Iminを下回る期間に、スイッチング素子Q11,Q12がターンオフされていない。すなわち、共振の途中でスイッチング素子Q11,Q12がターンオフされている。したがって、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数は、最適なスイッチング周波数よりも高い。 In this example, the switching elements Q11 and Q12 are not turned off during the period when the current Ir is lower than the threshold current Imin. That is, the switching elements Q11 and Q12 are turned off during the resonance. Therefore, the switching frequency of switching elements Q11 and Q12 is higher than the optimum switching frequency.
このとき、周波数調整部16の出力信号(NANDゲート16Eの出力信号(e))は、常時Hレベルである。マイコン15は、周波数調整部16からの出力信号がHレベルを受信する場合、掃引するスイッチング周波数を下げる。
At this time, the output signal of the frequency adjustment unit 16 (the output signal (e) of the
図3は、スイッチング周波数が共振周波数より低い場合の、周波数調整部16の各素子の動作波形を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating operation waveforms of the respective elements of the
この例では、電流Irが閾値電流Iminを下回る期間に、スイッチング素子Q11,Q12がターンオフされている。しかしながら、還流電流が流れる期間(電流Irの値がほぼフラットとなる期間)が長く、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数は、最適なスイッチング周波数よりも低い。 In this example, the switching elements Q11 and Q12 are turned off during the period when the current Ir is lower than the threshold current Imin. However, the period during which the reflux current flows (period in which the value of the current Ir is substantially flat) is long, and the switching frequency of the switching elements Q11 and Q12 is lower than the optimum switching frequency.
この状態では、周波数調整部16の出力信号(e)がLレベルとなる時間が長い。マイコン15がそのLレベルの信号を受信する期間が長い場合(又は、Lレベルになる毎に)、マイコン15は、掃引するスイッチング周波数を上げる。
In this state, it takes a long time for the output signal (e) of the
このように、マイコン15は、ORゲート16Fの出力信号(f)に応じて、スイッチング周波数を上下させて、掃引するスイッチング周波数を、最適なスイッチング周波数に近づける。
As described above, the
図4は、最適なスイッチング周波数の場合の、周波数調整部16の各素子の動作波形を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating operation waveforms of the respective elements of the
この例では、電流Irが閾値電流Iminを下回る期間に、スイッチング素子Q11,Q12がターンオフされている。そして、スイッチング素子Q11,Q12は、共振周期の途中でターンオフされていない。したがって、この場合、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数は、最適なスイッチング周波数である。つまり、周波数調整部16の出力信号(e)がLレベルとなる期間を最適化するように周波数を掃引することで、最適なスイッチング周波数を探索することができる。
In this example, the switching elements Q11 and Q12 are turned off during the period when the current Ir is lower than the threshold current Imin. Switching elements Q11 and Q12 are not turned off in the middle of the resonance period. Therefore, in this case, the switching frequency of the switching elements Q11 and Q12 is an optimum switching frequency. That is, the optimum switching frequency can be searched by sweeping the frequency so as to optimize the period during which the output signal (e) of the
以上のように、スイッチング電源装置1は、電流Irに応じてスイッチング周波数を修正することで、スイッチング損失を低減できる。この探索は、論理回路を用いて行えるため、高速な処理を行うマイコン等を必要としない。これにより、コストダウンが図れる。また、スイッチング電源装置1の製造後であっても、最適なスイッチング周波数を探索できるため、量産時の検査工程が減らせる。さらに、経年劣化してLLC共振回路10の共振周波数が変動しても、最適なスイッチング周波数を探索できる。
As described above, the switching
この最適なスイッチング周波数の探索は、定期的に行うことが好ましい。そうすることで、スイッチング電源装置1は、高い電力変換効率を維持できる。
The search for the optimum switching frequency is preferably performed periodically. By doing so, the switching
なお、本実施形態では、トランスTの1次側にLLC共振回路10を設けた例を示しているが、2次側にLLC共振回路10を設けてもよい。この場合であっても、各スイッチング素子のスイッチング制御は同じである。
In the present embodiment, an example in which the
本実施形態では、スイッチング回路11及びスイッチング回路12はフルブリッジ回路として説明したが、これに限定されない。
In the present embodiment, the switching circuit 11 and the switching
図5は、別の例のスイッチング電源装置1Aの回路図である。この例では、入出力端子IO1,IO2に接続されるスイッチング回路11Aと、入出力端子IO3,IO4に接続されるスイッチング回路12Aは、それぞれハーフブリッジ回路である。
FIG. 5 is a circuit diagram of another example of the switching power supply apparatus 1A. In this example, the switching
スイッチング回路11Aは、スイッチング素子Q11と、スイッチング素子Q12の直列回路と、キャパシタC41とキャパシタC42の直列回路とが並列接続されたハーフブリッジ回路である。
The
スイッチング回路12Aは、スイッチング素子Q23と、スイッチング素子Q24の直列回路と、キャパシタC51とキャパシタC52の直列回路とが並列接続されたハーフブリッジ回路である。
The
図6は、別の例のスイッチング電源装置1Bの回路図である。この例では、入出力端子IO1,IO2には、ハーフブリッジ回路であるスイッチング回路11Aが接続され、入出力端子IO3,IO4には、フルブリッジ回路であるスイッチング回路12が接続される。
FIG. 6 is a circuit diagram of another example of the switching
スイッチング電源装置1A,1Bの回路構成であっても、最適なスイッチング周波数を探索することができる。
Even with the circuit configuration of the switching
なお、電流検出回路17は、入出力端子IO3側に設けられてもよい。この場合、周波数調整部16のORゲート16Fは、スイッチング素子Q21(又はスイッチング素子Q23)へのゲート信号と、スイッチング素子Q22(又はスイッチング素子Q24)へのゲート信号の論理和を出力するように構成される。さらに、電流検出回路17は、入出力端子IO2,IO4側に設けられてもよい。
Note that the
(実施形態2)
実施形態1に係るスイッチング電源装置は、双方向の電流共振型DC−DCコンバータであるのに対し、実施形態2に係るスイッチング電源装置は、単方向の電流共振型DC−DCコンバータである点で、実施形態1と相違する。以下、実施形態1との相違点についてのみ説明する。(Embodiment 2)
The switching power supply according to the first embodiment is a bidirectional current resonance type DC-DC converter, whereas the switching power supply according to the second embodiment is a unidirectional current resonance type DC-DC converter. This is different from the first embodiment. Only differences from the first embodiment will be described below.
図7は、実施形態2に係るスイッチング電源装置2の回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram of the switching power supply device 2 according to the second embodiment.
スイッチング電源装置2は、1次巻線N1と2次巻線N3を含むトランスT1を有する。1次巻線N1は、スイッチング回路11に接続される。2次巻線N3の第1端はダイオードD1を介して入出力端子IO3に接続される。また、2次巻線N3の第2端はダイオードD2を介して入出力端子IO3に接続される。2次巻線N3は中間タップを有し、その中間タップは入出力端子IO4に接続される。 The switching power supply device 2 has a transformer T1 including a primary winding N1 and a secondary winding N3. The primary winding N1 is connected to the switching circuit 11. The first end of the secondary winding N3 is connected to the input / output terminal IO3 via the diode D1. The second end of the secondary winding N3 is connected to the input / output terminal IO3 via the diode D2. Secondary winding N3 has an intermediate tap, which is connected to input / output terminal IO4.
スイッチング電源装置2が備える周波数調整部16の構成及び動作は、実施形態1と同じである。
The configuration and operation of the
図8は、別の例のスイッチング電源装置2Aの回路図である。この例では、入出力端子IO1,IO2に接続されるスイッチング回路11Bは、ハーフブリッジ回路である。
FIG. 8 is a circuit diagram of another example of the switching
スイッチング回路11Bは、キャパシタC43とキャパシタC44の直列回路と、スイッチング素子Q13とスイッチング素子Q14の直列回路とが並列接続されたハーフブリッジ回路である。
このスイッチング電源装置2,2Aの構成であっても、電流Irに応じてスイッチング周波数を修正することで、スイッチング損失を低減できる。この探索は、論理回路を用いて行えるため、高速な処理を行うマイコン等を必要としない。これにより、コストダウンが図れる。また、スイッチング電源装置2,2Aの製造後であっても、最適なスイッチング周波数を探索できるため、量産時の検査工程が減らせる。さらに、経年劣化してLLC共振回路10の共振周波数が変動しても、最適なスイッチング周波数を探索できる。
Even in the configuration of the switching
C1,C2,C3…キャパシタ
C41,C42,C43,C44…キャパシタ
C51,C52…キャパシタ
D1,D2…ダイオード
IO1,IO2…入出力端子(第1入出力ポート)
IO3,IO4…入出力端子(第2入出力ポート)
L1,Lm…インダクタ
N1…1次巻線(第1コイル)
N2,N3…2次巻線(第2コイル)
Q11,Q14…スイッチング素子(ハイサイドスイッチ素子)
Q12,Q13…スイッチング素子(ローサイドスイッチ素子)
Q21,Q23…スイッチング素子(ハイサイドスイッチ素子)
Q22,Q24…スイッチング素子(ローサイドスイッチ素子)
T,T1…トランス
1,1A,1B,2,2A…スイッチング電源装置
10…LLC共振回路
11,11A,11B…スイッチング回路(第1スイッチング回路)
12,12A…スイッチング回路(第2スイッチング回路)
13,14…ドライバ
15…マイコン(スイッチング周波数設定部)
16…周波数調整部(スイッチング周波数設定部)
16A…ワンショットマルチバイブレータ
16B…比較器
16C…ANDゲート
16D…ANDゲート
16E…NANDゲート
16F…ORゲート
17…電流検出回路(電流検出部)C1, C2, C3 ... capacitors C41, C42, C43, C44 ... capacitors C51, C52 ... capacitors D1, D2 ... diodes IO1, IO2 ... input / output terminals (first input / output ports)
IO3, IO4 ... Input / output terminals (second input / output ports)
L1, Lm ... Inductor N1 ... Primary winding (first coil)
N2, N3 ... Secondary winding (second coil)
Q11, Q14 ... Switching elements (high-side switch elements)
Q12, Q13 ... Switching element (low-side switch element)
Q21, Q23 ... Switching elements (high-side switch elements)
Q22, Q24 ... Switching elements (low-side switch elements)
T, T1...
12, 12A ... switching circuit (second switching circuit)
13, 14 ...
16 ... Frequency adjustment unit (switching frequency setting unit)
16A ... One-
Claims (4)
ハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子を有し、前記第1入出力ポートに接続される第1スイッチング回路と、
ハイサイドスイッチ素子及びローサイドスイッチ素子を有し、前記第2入出力ポートに接続される第2スイッチング回路と、
磁気結合する第1コイル及び第2コイルを有し、前記第1コイルが前記第1スイッチング回路に接続され、前記第2コイルが前記第2スイッチング回路に接続されたトランスと、
前記第1コイル又は前記第2コイルを含んで構成される共振回路と、
前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路のスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定部と、
前記第1入出力ポート又は前記第2入出力ポートに入出力される電流を検出する電流検出部と、
を備え、
前記スイッチング周波数設定部は、
スイッチング周波数を掃引し、前記第1スイッチング回路又は前記第2スイッチング回路の前記ハイサイドスイッチ素子と前記ローサイドスイッチ素子とのスイッチングのデッドタイムを開始するタイミングと、前記電流検出部の検出結果と、閾値電流値とに基づいて、スイッチング周波数を設定する、
スイッチング電源装置。A first input / output port and a second input / output port;
A first switching circuit having a high-side switch element and a low-side switch element and connected to the first input / output port;
A second switching circuit having a high-side switch element and a low-side switch element and connected to the second input / output port;
A transformer having a first coil and a second coil that are magnetically coupled, wherein the first coil is connected to the first switching circuit, and the second coil is connected to the second switching circuit;
A resonance circuit including the first coil or the second coil;
A switching frequency setting unit for setting a switching frequency of the first switching circuit and the second switching circuit;
A current detection unit for detecting a current input to and output from the first input / output port or the second input / output port;
With
The switching frequency setting unit is
A timing for sweeping a switching frequency and starting a dead time of switching between the high-side switch element and the low-side switch element of the first switching circuit or the second switching circuit, a detection result of the current detection unit, and a threshold value Set the switching frequency based on the current value,
Switching power supply.
前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路それぞれの前記ハイサイドスイッチ素子及び前記ローサイドスイッチ素子のターンオフのタイミングと、前記電流検出部が検出する電流値が前記閾値電流値を下回るタイミングとが一致する場合にスイッチング周波数を下げ、不一致の場合にスイッチング周波数を上げる、
請求項1に記載のスイッチング電源装置。The switching frequency setting unit is
The turn-off timing of the high-side switch element and the low-side switch element of each of the first switching circuit and the second switching circuit coincides with the timing when the current value detected by the current detection unit falls below the threshold current value. Lower the switching frequency in case, increase the switching frequency in case of mismatch,
The switching power supply device according to claim 1.
請求項1又は2に記載のスイッチング電源装置。The switching frequency setting unit periodically sets the switching frequency;
The switching power supply device according to claim 1 or 2.
ハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路である、
請求項1から3のいずれかに記載のスイッチング電源装置。The first switching circuit or the second switching circuit is:
Half-bridge circuit or full-bridge circuit,
The switching power supply device according to claim 1.
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